一种永磁同步曳引电梯系统的无扰动转矩补偿方法与流程

本发明涉及一种永磁同步曳引电梯系统的无扰动转矩补偿方法。

背景技术：

随着技术的进步发展，目前电梯系统的主流驱动方式为曳引驱动，而曳引驱动的动力来源主要为永磁同步电机。作为永磁同步电机调速设备的驱动器，通常采用速度、电流双闭环的控制方式，速度环为外环，电流环为内环，一般而言速度外环的控制周期为电流内环控制周期的5-10倍，受制于速度外环的带宽及动态响应特性，在电梯系统的开闸启动、抱闸停机过程中，由于电梯轿厢与对重的不平衡，会造成轿厢倒溜或加速前行，为解决此问题，需要在驱动器的控制中增加转矩补偿控制。

早期的转矩补偿控制需要在电梯系统中增加称重传感器，称重传感器根据轿厢与对重的重量差，输出模拟量信号至驱动器，驱动器的控制系统根据此模拟量信号确定转矩补偿量。此种补偿方法，需要增加硬件设备，增加成本，同时其可靠性不高。目前此种技术方案在新项目中基本处于淘汰状态。

如公开号cn101734529a的专利申请的电梯启动转矩补偿方法，其基于称重传感器，启动转矩的初始补偿值来自称重传感器，如果称重结果准确，无需对补偿值进行任何调整。如图3所示，在电梯抱闸打开的瞬间，速度指令为零。如果来自称重传感器的初始补偿值偏大，电机速度大于零，比较当前控制周期电机速度ωnew与上一控制周期电机速度ωold，如果ωnew＞ωold则减小转矩补偿量，直至当前电机速度ωnew＜0，认定此时的转矩补偿值为准确的补偿值；如果来自称重传感器的初始补偿值偏小，电机速度小于零，比较当前控制周期电机速度ωnew与上一控制周期电机速度ωold，如果ωnew＜ωold则增加转矩补偿量，直至当前电机速度ωnew＞0，认定此时的转矩补偿值为准确的补偿值。该方法存在以下缺点：

1、补偿初始值来自称重传感器，该值为一突变定值，从零直接突变到该初始值会造成较大的转矩扰动，补偿过程不够平滑。

2、补偿值的调整依赖于电机速度，在抱闸打开瞬间，电机速度较低，速度检测精度难以保证，易有较大速度误差，进而造成较大补偿偏差；

3、需要系统带有称重传感器，增加系统成本且称重传感器模拟信号传递易受外部电磁环境干扰，造成系统可靠性降低。

4、该方案仅限于零伺服运行期间(速度指令为零)，如果速度指令不为零，该方案无法实现。

公开号cn104370171a公开了电梯永磁曳引系统无称重传感器起动转矩控制方法。该专利通过采样编码器的位置信号，技术电机转子位置，根据转子位置信息计算电机倒溜距离与当前电机角速度，根据电机倒溜距离与电机角速度进行启动转矩控制。在启动转矩控制算法中需要根据倒溜距离进行速度外环控制模式的切换，在满足一定条件下，速度外环由pi控制模式切换至无静差预测控制模式，通过模式切换保证转矩控制的精确度，防止启动过程中转矩不足。其缺点为：

1、该方案需要根据编码器的位置信息计算电机速度，在启动瞬间，电机速度较低，速度检测精度难以保证，易有较大速度误差，进而造成预测控制模式的误动作，无法满足转矩补偿的要求；

2、该方案对转矩补偿的实现是通过速度环控制模式的切换完成，两种模式的切换会给控制系统带来扰动，进而造成转矩控制的扰动；

3、无静差预测控制模式需要复杂的转矩计算，转矩计算需要得知系统转动惯量、粘滞摩擦系数等系统参数，增加了实现的现实难度；

4、该方案仅限于零伺服运行期间(速度指令为零)，如果速度指令不为零，该方案无法实现。

当前的转矩补偿控制基本基于无称重传感器的方案，文献1(居里，电梯专用变频器的开发.上海：上海交通大学.200709)中的技术方案无需称重传感器，其采用传统的矢量控制方案，在电机启动阶段增加速度环的pi增益，加速速度响应，但由于速度环的带宽限制，该方法仅能在一定程度上缓和倒溜的问题，不能完全消除倒溜，同时过大的增益会增加速度波动。文献2(cn104370171a)根据编码器提供的位置信息，计算得到永磁同步机转子位置，倒溜距离，倒溜速度等，根据计算所得数据进行转矩补偿，但过多的计算增加了系统的复杂性，占用更多的cpu资源，同时在启动阶段，速度，距离等数据值均较小，计算偏差较大，最终会影响补偿效果。

上述基于无称重传感器的转矩补偿方案均没有考虑到补偿过程的平滑性，容易在补偿过程中带入扰动；且文献2的补偿方案仅考虑启动过程，在同样需要进行转矩补偿的零速停机过程中未进行转矩补偿控制。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种新型的永磁同步曳引电梯系统的无扰动转矩补偿方法，其无需进行电机速度计算，仅通过编码器的位置信息既能进行转矩补偿计算，并且转矩补偿不限于零伺服期间，在任何运行速度均可实现无扰动转矩补偿。

第二目的在于转矩补偿值能够平滑衰减，无扰动退出转矩补偿。

本发明的第一技术方案为一种永磁同步曳引电梯系统的无扰动转矩补偿方法，永磁同步曳引电梯系统的驱动源为永磁同步电机，采用矢量控制方式对永磁同步电机进行调速控制，包括控制转矩电流的内环和控制速度的外环，其特征在于包括以下步骤，

永磁同步电机调速设备的驱动器，通常采用速度、电流双闭环的控制方式

步骤1，设定转矩补偿使能速度ωen，

步骤2，根据设定的中断周期判断是否产生pwm周期中断，如产生中断，则执行步骤s3，否则继续进行步s2的判断，

步骤3，判断给定速度指令ω^*是否大于转矩补偿使能速度ωen，不大于转矩补偿使能速度ωen，进入步骤4，进行转矩补偿，

步骤4，根据给定速度指令ω^*计算本周期的位移指令pnk^*，

步骤5，计算本周期的位移量pnk，

步骤6，根据所述位移指令pnk^*和位移量pnk计算本周期的转矩补偿值iqtor+，

步骤7，将转矩补偿值与速度环调节器输出值iq^*相加，作为转矩电流给定值iq^**。

第二技术方案基于第一技术方案，其特征在于，

还包括步骤8，在给定速度指令ω^*大于或等于转矩补偿使能速度时ωen时进入步骤8，

步骤8，设定的转矩退出补偿值iqtor-，

步骤9，在转矩退出补偿值iqtor-为零或小于设定值时，将转矩退出补偿值iqtor-设定为零，退出转矩补偿。

第三技术方案基于第二技术方案，其特征在于，

所述步骤1中，按照永磁同步电机额定速度的5％～10％，设定所述转矩补偿使能速度ωen。

第四技术方案基于第一至第三中任一技术方案，其特征在于,

所述步骤4中，位移指令pnk^*由下式计算得到，

其中，tpwm为pwm中断周期值，npg为永磁同步电机转动一周编码器的高分计数值；

所述步骤5中，位移量pnk由下式计算得到，

pnk＝cntk-cntk-1

其中，cntk为来自编码器的位置计数脉冲值，cntk-1为上一周期的计数脉冲值，

所述步骤6中，转矩补偿值iqtor+根据下式计算得到，

其中，kt为平滑调节系数。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为永磁同步曳引电梯系统中永磁同步电机的控制系统图；

图2为无扰动转矩补偿的流程图；

图3为现有技术的流程图。

具体实施方式

本发明提供了许多可应用的创造性概念，该创造性概念可大量的体现于具体的上下文中。在下述本发明的实施方式中描述的具体的实施例仅作为本发明的具体实施方式的示例性说明，而不构成对本发明范围的限制。

如图1所示，对永磁同步电机m的调速控制采用矢量控制，包括控制转矩电流的内环和控制速度的外环。

与现有的矢量控制相比，本发明增加无扰动转矩补偿环节100。其技术思想是：通过每一pwm中断周期根据给定速度指令ω^*计算本周期的位移脉冲指令，然后采样来自编码器200的位移脉冲信号，进行步进补偿算法计算得到转矩补偿值iqtor；根据转矩补偿使能速度ωen，判断是否进行转矩补偿算法退出，如果需要退出则进行转矩补偿无扰动退出算法。编码器可以正余弦编码器。矢量控制为现有技术，在此不再赘述。

图2为无扰动转矩补偿的流程图。

步骤s1，设定转矩补偿使能速度ωen。

转矩补偿使能速度ωen是转矩补偿功能生效的最高速度，也就是电梯系统(永磁同步电机)的运行速度在这个速度以下，转矩补偿功能才起作用。在本实施方式中，转矩补偿使能速度ωen取电机额定速度n的5％—10％，取值太小影响补偿效果，取值太大，会加重速度控制环调节器的负担，容易造成速度环调节器饱和。

步骤s2，根据设定的中断周期判断是否产生pwm周期中断，如产生中断，则执行步骤s3，否则继续进行步s2的判断。

步骤s3，判断给定速度指令ω^*是否大于转矩补偿使能速度ωen，小于转矩补偿使能速度ωen时，进入步骤s4，执行转矩补偿，大于或等于于转矩补偿使能速度ωen时，进入步骤8，执行转矩补偿退出。

步骤s4，根据给定速度指令ω^*计算本周期的位移指令pnk^*。

步骤s5，计算本周期的位移量pnk。

步骤s6，根据所述位移指令pnk^*和位移量pnk计算本周期的转矩补偿值iqtor+。

步骤7，将转矩补偿值与速度环调节器输出值iq^*相加，作为转矩电流给定值iq^**。

步骤8，设定转矩退出补偿值iqtor-。转矩退出补偿值iqtor-可通过人机交互界面设定，其值是使转矩逐渐减小的负值，

步骤9，在转矩退出补偿值iqtor-为零或小于设定值时，将转矩退出补偿值iqtor-设定为零。之后进入步骤s7，转矩退出补偿值iqtor-与速度环调节器输出值iq^*相加，作为转矩电流给定值iq^**。

其中，步骤4中，位移指令pnk^*由下式计算得到，

其中，tpwm为pwm中断周期值，npg为永磁同步电机转动一周编码器的高分计数值；

步骤5中，位移量pnk由下式计算得到，

pnk＝cntk-cntk-1

其中，cntk为来自编码器的位置计数脉冲值，cntk-1为上一周期的计数脉冲值，

步骤6中，转矩补偿值iqtor+根据下式计算得到，

其中，kt为平滑调节系数。

在本发明的效果如下：

本发明技术方案带来的效果如下：

1、本发明通过pwm周期内位移计数值进行转矩补偿算法计算，无需速度计算，避免低速时速度检测精度不高，进而增加转矩补偿的精度与可靠性；

2、步进的转矩补偿算法，使得转矩补偿平滑增减，且可通过步骤s6中的控制系数kt调整平滑度，可使得补偿过程无扰动；

3、引入转矩补偿使能速度，使得电机速度大于转矩补偿使能速度时进行转矩补偿退出，保证高速运行时减小速度环调节器工作负荷；

4、进行转矩补偿无扰动退出算法，避免了补偿转矩从一定值阶跃性突变为零，使得转矩补偿平滑推出，使得转矩补偿退出平滑无扰动。